ICMP协议详解
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1.ICMP协议简介
ICMP（Internet Control Message Protocol）是一种网络协议，它用于在IP网络中传递控制信息和错误消息。它通常与IP协议一起使用，IP协议负责发送和路由数据包，而ICMP协议负责检查网络是否可达、路由是否正确、主机是否可达等网络状态的反馈信息。
ICMP协议的主要功能如下：
发现网络错误：当一个数据包在传输过程中出现错误时，ICMP协议通过向发送方发送错误通知来发现网络错误。
检查网络是否可达：通过发送ICMP ECHO请求并接收ICMP ECHO回复消息，可以确定目标主机是否可达。
发现主机错误：当一个主机无法正常工作时，ICMP协议通过向发送方发送错误通知来发现主机错误。
发送路由信息：ICMP协议可以向其他主机发送路由信息，以帮助它们在网络中找到合适的路由。
2.ICMP报文格式
2.1 ICMP报文以太网数据帧格式
图 1 ICMP以太网数据帧
ICMP报文属于IP子协议，协议号为1。
2.2 ICMP首部格式
图 2 ICMP首部格式
其中各字段的含义如下：
类型（Type）：指定 ICMP 报文的类型，占 1 个字节。常见类型有：回显应答（Echo Reply：0）、回显请求（Echo Request：8）等。
代码（Code）：指定 ICMP 报文的代码，占 1 个字节。用于进一步描述 ICMP 报文，与 Type 字段组合使用。
校验和（Checksum）：校验和，用于检查 ICMP 报文是否有损坏，占 2 个字节。
由类型决定的4字节：根据类型不一样，4字节表达的意思不一样。
数据（Data）：数据，可变长度。可以是任意数据，长度由具体的 ICMP 报文类型和代码决定。
2.3 ICMP报文类型列表
表 1 ICMP报文类型表
常见的ICMP报文类型：
Echo Reply（回显应答）：用于回复Echo Request（回显请求）报文，通常用于测试网络连接是否正常。
Destination Unreachable（目的地不可达）：用于指示主机或路由器无法到达目的地或某个网络服务不可用。
Source Quench（源站抑制）：当接收方无法处理所有传入的数据报时，源站抑制报文会发送到发送方，以通知其减慢数据传输速度。
Redirect（重定向）：用于通知发送方，其正在使用的路由不再是最佳路由，建议使用另一条路由。
Echo Request（回显请求）：用于测试测试网络连接是否正常。
Time Exceeded（时间超时）：用于指示一个数据包在传输过程中被丢弃，原因是数据包在经过路由器时超过了其生存时间。
Parameter Problem（参数问题）：用于指示数据包头部中存在错误的参数或选项，导致数据包无法被识别或处理。
Timestamp Request/Reply（时间戳请求/应答）：用于向另一个主机请求当前时间戳，并将其返回给请求方。
Information Request/Reply（信息请求/应答）：用于向另一个主机请求特定信息，并将其返回给请求方。
Address Mask Request/Reply（地址掩码请求/应答）：用于请求另一个主机的网络掩码，并将其返回给请求方。
3.ICMP故障排查工具
3.1 ping工具
Ping命令是一种常用的网络诊断工具，用于测试网络连接性和响应时间。它发送一个ICMP数据包（Internet控制消息协议），并在目标主机收到数据包后返回一个响应，以确定目标主机是否可达，以及响应时间。
Ping命令的语法如下：
ping [-t] [-a] [-n count] [-l size] [-f] [-i TTL] [-v TOS] [-r count] [-s count] [[-j host-list] | [-k host-list]] [-w timeout] destination-list
其中，常用的参数包括：
-t：持续发送数据包，直到手动停止
-a：解析IP地址为主机名
-n count：指定要发送的数据包数
-l size：指定要发送的数据包大小
-f：在数据包中设置“不分片”标志
-i TTL：设置数据包的存活时间
-w timeout：指定等待响应的最大时间
3.2 traceroute工具
traceroute命令用于检测网络连接的路径和延迟时间，以及确定网络上的故障点。它通过向目标主机发送一系列的数据包，并记录每个包从源主机到目标主机的路由路径上所经过的中间节点（路由器）。
traceroute命令会输出每个中间节点的IP地址、主机名（如果可用）、延迟时间和TTL值。TTL（Time to Live）值是每个数据包的生命周期，当数据包经过一个路由器时，TTL值就会减少1，如果TTL值降到0，则该数据包就会被丢弃并返回一个ICMP超时消息，这样我们就可以知道数据包到达了哪个中间节点。
例如，我们可以使用以下命令来traceroute到百度的IP地址（202.108.22.5）：
traceroute 202.108.22.5输出结果可能类似于以下内容：
traceroute to 202.108.22.5 (202.108.22.5), 30 hops max, 60 byte packets
1 router (192.168.1.1) 2.025 ms 1.326 ms 1.115 ms
2 100.64.0.1 (100.64.0.1) 4.505 ms 4.591 ms 4.659 ms
3 218.240.40.121 (218.240.40.121) 7.131 ms 7.217 ms 7.291 ms
4 218.240.40.146 (218.240.40.146) 25.398 ms 25.397 ms 25.393 ms
5 202.96.12.26 (202.96.12.26) 25.373 ms 202.96.12.34 (202.96.12.34) 25.357 ms 25.344 ms
6 202.96.12.110 (202.96.12.110) 25.314 ms 25.301 ms 25.289 ms
7 202.97.94.118 (202.97.94.118) 25.492 ms 202.97.94.114 (202.97.94.114) 25.478 ms 25.463 ms
8 202.97.58.237 (202.97.58.237) 25.434 ms 25.409 ms 25.394 ms
9 202.97.58.233 (202.97.58.233) 25.372 ms 25.363 ms 25.349 ms
10 * * *
11 * * *
12 202.108.22.5 (202.108.22.5) 25.633 ms 25.618 ms 25.603 ms从输出结果中可以看到，traceroute命令首先会输出目标主机的IP地址和最大跳数（30），然后每一行显示一个中间节点的信息。例如，第一行显示第一个中间节点的IP地址（192.168.1.1）、主机名（如果可用）、三次ping的延迟时间。最后一行显示目标主机的IP地址和延迟时间。在第10和11行中，我们看到了两个星号，这表示该数据包在到达该中间节点时已经超时并被丢弃了，因此我们无法确定该节点的IP地址。
4.常见ICMP报文
4.1 ICMP请求和应答
执行ping命令，ping一个可以通信的IP地址，如下命令：
ping 223.5.5.5ping通后会收到对端发来的ICMP应答报文。
ICMP回显请求报文
图 3 ICMP回显请求报文
ICMP回显响应报文
图 4 ICMP回显响应报文
4.2 ICMP差错报告报文
TTL过期差错报告报文
图 5 TTL过期原理
ping命令通过-i指定TTL值，如下命令：
ping 223.5.5.5 -i 5 -t
命令指定TTL值为5，也就是通过5个路由器后，TTL会变成0，数据包丢弃，路由器发送ICMP TTL过期报文给源主机。
ICMP TTL过期报文
图 6 TTL过期差错报告报文
4.3 目标主机不可达
当我们使用ping命令向一个主机发送ICMP（Internet控制消息协议）数据包时，如果目标主机无法到达，我们将会得到“目标主机不可达”的错误提示。
这个错误通常是由以下几种原因引起的：
-
目标主机已经关闭或没有连接到网络。这种情况下，我们无法通过网络与目标主机通信。
-
网络连接故障。如果网络连接故障，例如连接断开或路由器故障，那么我们无法到达目标主机。
-
防火墙阻止了ping请求。如果目标主机上的防火墙设置了规则以阻止ping请求，那么我们无法与目标主机进行通信。
-
ICMP协议被禁用。有些主机可能会禁用ICMP协议，这意味着它们不会回应ping请求。
ICMP目标主机不可达报文
ICMP type：3，code：1
5.ICMP校验和计算
ICMP校验和计算的校验数据为整个ICMP数据包。
5.1 ICMP校验和计算
a.校验数据以16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。
b.如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。
c.循环步骤2，直至未产生进位为止。
d.累加和取反得到校验和。
5.2 ICMP校验和验证
a.校验数据16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。
b.如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。
c.循环步骤2，直至未产生进位为止。
d.累加和和校验和相加得到0xffff，校验成功，否则失败。
6.ICMP编程示例
6.1 发送回显请求
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PACKET_SIZE 4096
#define ICMP_PACKET_SIZE 28
uint16_t checksum(uint16_t *buf, int len)
{
unsigned long sum = 0;
while (len > 1) {
sum += *buf++;
len -= 2;
}
if (len == 1) {
sum += *(unsigned char *)buf;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
return ~sum;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2) {
printf("Usage: %s <destination_ip>n", argv[0]);
return -1;
}
char buf[PACKET_SIZE] = {0};
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd < 0) {
perror("socket error");
return -1;
}
struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
uint16_t seq = 0;
while(1) {
memset(buf, 0, PACKET_SIZE);
struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)buf;
icmp_packet->icmp_type = ICMP_ECHO;
icmp_packet->icmp_code = 0;
icmp_packet->icmp_id = 0;
icmp_packet->icmp_seq = seq++;
memset(icmp_packet->icmp_data, 0, ICMP_PACKET_SIZE);
icmp_packet->icmp_cksum = 0;
icmp_packet->icmp_cksum = checksum((uint16_t *)icmp_packet, ICMP_PACKET_SIZE);
printf("icmp_packet size:%lun", sizeof(struct icmp));
int sent_bytes = sendto(sockfd, buf, sizeof(struct icmp), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if (sent_bytes <= 0) {
perror("sendto error");
break;
}
printf("sent icmp request:%d bytes to:%sn", sent_bytes, argv[1]);
int recv_bytes = recv(sockfd, buf, PACKET_SIZE, 0);
if (recv_bytes <= 0) {
perror("recv");
break;
}
struct iphdr *ip_packet = (struct iphdr *)buf;
struct icmp *icmp_reply = (struct icmp *)(buf + (ip_packet->ihl << 2));
printf("recv icmp reply:%d from:%sn", recv_bytes, inet_ntoa(dest_addr.sin_addr));
printf("icmp type:%d,code:%dn", icmp_reply->icmp_type, icmp_reply->icmp_code);
sleep(1);
}
close(sockfd);
return 0;
}6.2 发送回显应答
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <linux/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define IP_HDRLEN (20)
#define PACKET_SIZE (4096)
uint16_t checksum(uint16_t *buf, int len)
{
unsigned long sum = 0;
while (len > 1) {
sum += *buf++;
len -= 2;
}
if (len == 1) {
sum += *(unsigned char *)buf;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
return ~sum;
}
uint16_t checksum_nofold(uint16_t *buf, int len)
{
unsigned long sum = 0;
while (len > 1) {
sum += *buf++;
len -= 2;
}
if (len == 1) {
sum += *(unsigned char *)buf;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
return sum;
}
bool parse_pack(char *buf, uint32_t len) {
struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)buf;
uint16_t csum = checksum_nofold((uint16_t *)buf, len);
printf("icmp csum:0x%04xn", csum);
return csum == 0xffff;
}
int main(int argc , char *argv[]) {
int sockfd;
int ret;
char send_buf[PACKET_SIZE] = {0};
char recv_buf[PACKET_SIZE] = {0};
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd == -1) {
perror("socket error");
return -1;
}
while(1) {
struct sockaddr_in peer;
socklen_t peerlen = sizeof(peer);
memset(recv_buf, 0, PACKET_SIZE);
ret = recvfrom(sockfd, recv_buf, PACKET_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&peer, &peerlen);
if (ret <= 0) {
printf("ret:%d, errno:%d(%s)n", ret, errno, strerror(errno));
} else {
printf("recv len:%d, peer src:port->%s:%dn", ret, inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));
bool bret = parse_pack(recv_buf, ret);
if (bret) {
struct icmp *recv_icmp = (struct icmp *)(recv_buf + sizeof(struct iphdr));
memset(send_buf, 0, PACKET_SIZE);
struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)send_buf;
icmp_packet->icmp_type = ICMP_ECHOREPLY;
icmp_packet->icmp_code = 0;
icmp_packet->icmp_id = 0;
icmp_packet->icmp_seq = recv_icmp->icmp_seq;
memset(icmp_packet->icmp_data, 0, sizeof(struct icmp));
icmp_packet->icmp_cksum = 0;
icmp_packet->icmp_cksum = checksum((uint16_t *)icmp_packet, sizeof(struct icmp));
int sent_bytes = sendto(sockfd, send_buf, sizeof(struct icmp), 0, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer));
if (sent_bytes <= 0) {
perror("sendto error");
break;
}
}
}
}
close(sockfd);
return 0;
}